沙 恒

（山東華宇工學(xué)院，山東德州 253034）

0 引言

在刀具制造中應(yīng)用PVD（Physical Vapor Deposition，物理氣相沉積）涂層技術(shù)顯著提升硬度、耐熱性、磨損性等性能，更好地解決以往刀具制造中刀具材料的硬度、耐磨性和抗彎強(qiáng)度、沖擊韌性之間的矛盾，有效延長(zhǎng)刀具的使用壽命，促使刀具獲得優(yōu)良的綜合機(jī)械性能，大幅度提升機(jī)械加工效率。為了能夠更好滿足現(xiàn)代機(jī)械加工對(duì)于效率、精度、可靠性等多方面的要求，需要對(duì)PVD 涂層技術(shù)在我國(guó)刀具制造中的現(xiàn)狀進(jìn)行研究。

1 PVD 涂層技術(shù)

PVD 是指通過物理過程實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)移，基層表面上一些分子和原子由源轉(zhuǎn)移過來的過程，是一種表面處理的標(biāo)準(zhǔn)化稱謂。通過應(yīng)用PVD，在一些性能相對(duì)較低的母體上噴涂具備強(qiáng)度高、耐磨、耐腐性、易散熱等特殊性能的微粒，促使母體的性能有效提升。比較常見的PVD 基本方法包括真空蒸發(fā)、濺射、離子鍍等。PVD 涂層技術(shù)在一些高精密加工刀具、裝飾件、高要求機(jī)械零部件等領(lǐng)域有比較廣泛的應(yīng)用。與刀具制造中應(yīng)用的其他技術(shù)相比，PVD 涂層技術(shù)可以說是一種能實(shí)現(xiàn)微米級(jí)鍍層且不會(huì)造成污染的表面處理方法，也不會(huì)對(duì)刀具制造工件的尺寸產(chǎn)生影響。應(yīng)用PVD 涂層技術(shù)形成的PVD 膜還可以有效改善刀具表面外觀性能，提升刀具表面的強(qiáng)度、防刮擦能力、耐磨性、防腐蝕性和導(dǎo)熱性。

PVD 涂層技術(shù)最早出現(xiàn)于1970 年代末，應(yīng)用該技術(shù)時(shí)要求處理工藝溫度＜500 ℃，因此在高速鋼類刀具的涂層中的應(yīng)用較為廣泛。在實(shí)際刀具生產(chǎn)中應(yīng)用PVD 涂層技術(shù)可以有效提升高速鋼刀具的切削性能，因此，PVD 涂層技術(shù)得到了迅速推廣。

2 PVD 涂層技術(shù)在我國(guó)刀具制造中的現(xiàn)狀

我國(guó)在刀具制造中關(guān)注到國(guó)際上先進(jìn)的PVD 涂層技術(shù)，從1980 年代初期開始研究PVD 涂層技術(shù)，發(fā)展至1980 年代中期已經(jīng)成功研發(fā)出了中小型空心陰極離子鍍膜機(jī)涂層設(shè)備、高速鋼刀具TiN 涂層工藝技術(shù)，并在生產(chǎn)中獲得廣泛應(yīng)用。這一發(fā)展時(shí)期，大型工具廠基于對(duì)切削刀具市場(chǎng)發(fā)展的分析與考察，引進(jìn)了國(guó)際上先進(jìn)的PVD 涂層技術(shù)、PVD 涂層設(shè)備，在國(guó)內(nèi)掀起了技術(shù)研發(fā)、設(shè)備研究的熱潮，各個(gè)真空設(shè)備企業(yè)、科研單位都先后對(duì)大型離子鍍膜機(jī)展開了深入的研制工作，發(fā)展至1990 年代，逐漸研發(fā)出了多種PVD 涂層設(shè)備。但是這些設(shè)備是在沒有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上研發(fā)的，部分設(shè)備的指標(biāo)系數(shù)相對(duì)不高，還不能保證涂層設(shè)備、涂層刀具制造生產(chǎn)后的質(zhì)量，企業(yè)無法實(shí)現(xiàn)效益目標(biāo)。我國(guó)目前的PVD 涂層技術(shù)仍舊是以單層TiN 涂層為主，實(shí)際制造生產(chǎn)情況中仍舊存在一些問題亟需解決。

2.1 不能滿足刀具制造市場(chǎng)需求變化

在數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用PVD 涂層技術(shù)，要求其切削加工速度≤100 m/min，如果只使用單一的TiN 薄膜則無法實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床加工需求。我國(guó)目前PVD 涂層技術(shù)在高速鋼刀具中的應(yīng)用較為廣泛、集中，為了更好滿足市場(chǎng)客戶需求，對(duì)涂層刀具制造的要求逐漸提升，但是仍舊有部分先進(jìn)技術(shù)存在壟斷問題，導(dǎo)致我國(guó)的涂層加工服務(wù)面臨較大挑戰(zhàn)。

2.2 不重視新工藝研發(fā)

雖然我國(guó)在1980 年代就已經(jīng)引進(jìn)了較為先進(jìn)的PVD 涂層技術(shù)，但是未對(duì)該技術(shù)的后續(xù)發(fā)展空間及發(fā)展速度進(jìn)行充分評(píng)估。應(yīng)用PVD 涂層技術(shù)對(duì)工作人員的綜合素養(yǎng)有較高要求，需要進(jìn)行持續(xù)研發(fā)，但是大多數(shù)企業(yè)中對(duì)PVD 涂層技術(shù)的應(yīng)用更傾向于生產(chǎn)，對(duì)PVD 涂層技術(shù)的新工藝研發(fā)投入不足，不能積極推動(dòng)工藝技術(shù)的進(jìn)一步自主開發(fā)，這對(duì)國(guó)內(nèi)研發(fā)涂層技術(shù)新工藝和裝備產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

2.3 設(shè)備開發(fā)制造仍舊存在問題

在1980 年代引進(jìn)PVD 涂層技術(shù)后，我國(guó)的部分設(shè)備制造廠家、科研單位認(rèn)為在短時(shí)間內(nèi)就可以在生產(chǎn)中應(yīng)用PVD 涂層技術(shù)，存在過于樂觀的判斷。尚未經(jīng)過深入的技術(shù)了解和刀具市場(chǎng)調(diào)研就對(duì)各類PVD 涂層設(shè)備進(jìn)行開發(fā)，未結(jié)合國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求，導(dǎo)致實(shí)際制造生產(chǎn)中部分涂層設(shè)備不能滿足制造需求，尤其在一些精度高速鋼刀具生產(chǎn)中，對(duì)批量生產(chǎn)的要求較高，還無法實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)的需求。有些企業(yè)不關(guān)注涂層設(shè)備應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益，通常將涂層設(shè)備的應(yīng)用局限于麻花鉆的涂層，自然不能實(shí)現(xiàn)企業(yè)的經(jīng)營(yíng)效益目標(biāo)，涂層設(shè)備制造廠就沒有充足的經(jīng)費(fèi)用于設(shè)備開發(fā)研究。

2.4 缺乏整體配套性

在當(dāng)前的刀具制造中應(yīng)用PVD 涂層技術(shù)缺乏整體配套性，這是我國(guó)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)涂層刀具制造技術(shù)發(fā)展緩慢的癥結(jié)所在。涂層刀具制造生產(chǎn)中，對(duì)PVD 涂層技術(shù)的應(yīng)用集中在涂層加工方面，這要求PVD 涂層技術(shù)必須具備高度的整體性，制造中所使用的前處理技術(shù)、涂層工藝技術(shù)、后處理技術(shù)及質(zhì)量控制技術(shù)之間互相協(xié)調(diào)配合。但是目前我國(guó)的刀具制造涂層設(shè)備制造企業(yè)，主要是提供涂層機(jī)，這就不利于工業(yè)化生產(chǎn)的展開，不僅導(dǎo)致涂層設(shè)備生產(chǎn)脫離市場(chǎng)需求，也不利于涂層技術(shù)的良性發(fā)展。

2.5 涂層質(zhì)量不穩(wěn)定

在刀具制造中引進(jìn)與應(yīng)用涂層技術(shù)需要花費(fèi)高昂的代價(jià)，這在一定程度上決定了在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，涂層設(shè)備價(jià)格還會(huì)保持居高不下的局面，實(shí)際制造中有部分刀具的涂層成本已經(jīng)超過刀具價(jià)格的一半。因?yàn)橥繉蛹夹g(shù)的引進(jìn)渠道存在差異，選擇設(shè)備時(shí)的依據(jù)也存在一定差異，導(dǎo)致涂層設(shè)備的制造生產(chǎn)工藝存在較大差異，不利于后期涂層刀具制造使用后實(shí)現(xiàn)應(yīng)用價(jià)值。我國(guó)還尚未形成統(tǒng)一的涂層刀具檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，很可能導(dǎo)致涂層刀具不具備穩(wěn)定的質(zhì)量，部分涂層性能仍未得到改善，不利于涂層技術(shù)的推廣應(yīng)用及發(fā)展。

3 我國(guó)刀具制造中應(yīng)用PVD 涂層技術(shù)的具體策略

在未來的刀具制造中，為了能夠有效提升刀具制造的質(zhì)量，提升涂層刀具的性能，需要根據(jù)PVD 涂層技術(shù)在我國(guó)刀具制造中的應(yīng)用情況，制定我國(guó)刀具制造中應(yīng)用PVD 涂層技術(shù)的具體策略。

3.1 制定合理的刀具制造規(guī)劃

為了能夠使我國(guó)的刀具制造應(yīng)用PVD 技術(shù)取得長(zhǎng)足發(fā)展，需要我國(guó)的工具行業(yè)管理部門根據(jù)刀具制造發(fā)展需求，制定合理的刀具制造規(guī)劃目標(biāo)，明確具體的刀具制造管理工作內(nèi)容；對(duì)PVD 涂層技術(shù)在我國(guó)刀具制造發(fā)展的短期、中期、長(zhǎng)期目標(biāo)，制定具有針對(duì)性的發(fā)展方針；集中政府、生產(chǎn)制造廠家、學(xué)校、科研和商戶等多方力量，促使PVD 涂層技術(shù)在我國(guó)刀具制造獲得多方面支持。在1980 年代中期，我國(guó)在機(jī)械工業(yè)部機(jī)床工具司針對(duì)PVD 涂層設(shè)備越來越嚴(yán)重、對(duì)國(guó)外先進(jìn)涂層技術(shù)越來越依賴的問題，組織過行業(yè)中的先進(jìn)技術(shù)力量攻關(guān)引進(jìn)設(shè)備中的涂層技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上取得了顯著的研究成果——熱陰極弧磁控等離子鍍膜機(jī)，并已經(jīng)獲得了較為廣泛的應(yīng)用，這對(duì)促進(jìn)TiN 涂層刀具的推廣應(yīng)用有積極意義。

3.2 確定創(chuàng)新的刀具制造研發(fā)思維

在未來的刀具制造中應(yīng)用PVD 技術(shù)，必須保證集涂層刀具制備方法、刀具涂層技術(shù)及材料、切削加工技術(shù)和真空技術(shù)為一體，實(shí)現(xiàn)涂層刀具制造的綜合性、前沿性特點(diǎn)，促進(jìn)刀具制造的良性發(fā)展?；谖覈?guó)近幾十年來刀具制造中涂層技術(shù)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，只有解決各研究環(huán)節(jié)脫節(jié)問題，才能促進(jìn)刀具制造應(yīng)用涂層技術(shù)獲得長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。在刀具制造研發(fā)中，進(jìn)行充分的市場(chǎng)調(diào)研，研究薄膜性能，確定制備方法，組織研究人員進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室裝置開發(fā)工作，再組織開展工業(yè)化生產(chǎn)設(shè)備設(shè)計(jì)制造，將實(shí)驗(yàn)室獲得的PVD 涂層技術(shù)研究成果應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)，最后在刀具制造銷售后接受市場(chǎng)評(píng)定。

3.3 構(gòu)建一體化的研究體系

刀具制造企業(yè)需要根據(jù)當(dāng)前市場(chǎng)對(duì)刀具性能的要求、涂層技術(shù)在刀具中的應(yīng)用情況等多方面的因素，根據(jù)企業(yè)的發(fā)展情況逐步構(gòu)建涂層技術(shù)在刀具制造中的研究、開發(fā)與服務(wù)體系，深入研究行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。為了在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中獲得一席之地，刀具制造企業(yè)需要密切關(guān)注國(guó)內(nèi)外的市場(chǎng)需求，在制造生產(chǎn)中積極應(yīng)用先進(jìn)的刀具制造涂層技術(shù)。在引進(jìn)技術(shù)后進(jìn)行內(nèi)化，并不斷進(jìn)行積極的自我開發(fā)，能夠在合理、統(tǒng)一的刀具制造中形成制造行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，使涂層設(shè)備、涂層刀具制造更加規(guī)范，在有效控制涂層刀具質(zhì)量的同時(shí)，對(duì)促進(jìn)涂層技術(shù)的引進(jìn)、推廣具有重要意義。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)切削刀具發(fā)展情況，刀具制造是切削加工系統(tǒng)中最活躍的因素。伴隨著科技的迅速發(fā)展，通過在刀具制造中應(yīng)用PVD 涂層技術(shù)，可以有效提升涂層刀具的進(jìn)給速度和切削速度，也有效延長(zhǎng)使用壽命。為了能夠更好滿足用戶對(duì)刀具性能的要求，可以通過應(yīng)用PVD 技術(shù)，使刀具的基材具備高強(qiáng)度、耐磨性、散熱性等特殊性能，在未來的研究中還要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)刀具PVD 涂層技術(shù)的研究，使其能夠更好地為機(jī)械加工服務(wù)。

課題基金：山東華宇工學(xué)院2019 年校級(jí)科研平臺(tái)——數(shù)控刀具制造工藝技術(shù)研發(fā)中心。